航空发动机制造技术探索

2015-11-23中航工业西安航空发动机集团有限公司工程技术一级专家高级工程师

金属加工(冷加工) 2015年16期

■ 中航工业西安航空发动机（集团）有限公司工程技术一级专家、高级工程师

何金梅

航空发动机数字化制造技术发展现状

数控技术经半个多世纪的深入推广，特别是CAD/CAM数字化制造核心技术的不断发展，逐渐成为航空发动机产品制造的主要技术手段之一，使得数控车、铣、磨等通用数控机床替代了普通机床成为航空发动机制造业的主要装备。同时，为了满足减少机床和夹具，免去工序间的搬运和存储，提高加工精度，缩短加工周期等现代机械制造加工的需求，新型复合加工机床如数控车铣复合加工中心、数控五坐标加工中心及高效强力磨削机床等各种高端数控设备不断涌现。这些高端设备在航空产品的制造中发挥着至关重要的作用。例如：五轴联动的数控机床能完成整体叶盘的复杂型面的大量切削任务，使发动机叶盘制造技术得到巨大的改进；强力数控磨床利用强力成形磨削一次磨出涡轮叶片的榫槽齿形，使叶片榫槽加工变得简单、高效。

如图1所示，作为高端数控的代表的五轴联动数控加工中心，已成为航空制造的重要装备，这种机床的5个运动轴在加工工件时能同时协调运动，它们的运动轨迹是通过一个非常复杂的计算过程得到的，因此五轴联动数控系统是该类设备的核心，国内在五轴联动的软件开发方面尚不成熟，而国外再此方面具有绝对优势的就是“西门子”数控系统。五轴联动数控机床中2个回转轴的展现方式有立卧转换式和摇篮式，特别适合用来加工及几何形状复杂的零件，在加工较深、较陡的型腔时，可以通过工件或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞，减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险，从而有利于提高零件的表面质量、加工效率。

图1 五坐标卧式加工中心高速切削

切削加工一直是航空发动机关键重要部件的主要制造手段之一，依托先进的加工装备不断在传统的切削加工方法的基础上进行改进和创新。近30年来，我国航空发动机制造企业紧跟世界航空制造技术的发展趋势，不断更新、改善自身的制造装备，使通用数控设备的普及率达80%以上，完成了从传统的机械加工技术向数字化制造技术进行转变的初级阶段。随着刀具、驱动、控制等技术的不断进步，高端数控设备在航空制造企业中不断得到了科学的应用，五轴联动数控加工中心、高精密复合机床正逐步替代由20世纪90年代中后期引进的三轴联动的加工中心和高速铣床等，高端数字化装备得到大力推广和有效利用，成为航空发动机关键零部件制造生产的有力武器和新生力量，为现代航空制造技术的快速发展起到了助推作用。

如今，数字化制造技术的应用已开始打破局限性和片面性的状况，已延伸到产品设计、制造和管理过程中，借助计算机网络、数据库和多媒体等支撑技术，将最终实现数字化加工车间和数字化工厂的生产模式。

航空发动机制造技术的新工艺与新装备

为了确保发动机的可靠性和提高推力，高性能发动机研制采用大量的新材料、新结构，对制造工艺要求也进一步提高，相继研发出了一系列高性能航空发动机关键制造技术，比如：轻量化、整体化结构制造技术、宽弦风扇叶片制造技术及整体叶环制造技术等。

跟踪世界航空关键技术发展形式，围绕新结构、新材料、新工艺的应用方面以及特殊工艺的总体要求，航空发动机制造技术将大量依靠高速精密加工中心、重型数控设备、高端立卧车铣复合加工中心、特种工艺设备、航空发动机关键零件高效精密磨削设备及自动生产线等新型设备和装置。

近年来，特种加工技术已在各个制造领域展现其优势，特别是在复杂构件的型腔、型面及微孔的加工中具有显著优越性，能轻易解决常规加工很难解决的问题，比如电加工、激光加工、电子束加工、电火花加工及高压水射流切割机等特种加工技术已在科研和生产中发挥了积极的作用。

（1）电加工技术以其特殊的加工特性用以解决传统加工手段不能或难以解决的制造难题，是实现难加工材料和精密零件加工的有效手段。如2图所示涡轮机叶轮的3维几何通道在过去是不能制造的，通常在五联动的铣床上仅能对开放的这种类型进行加工制造，对于不开放的极端螺旋几何通道是不能加工的，但是现在有6轴以上的电火花成型机床就能加工了。目前电加工技术主要应用在工作叶片气膜孔、端孔，整流叶片内筋通孔，火焰筒的群孔，叶片榫槽等细微深孔及异形孔、槽的高效精密的加工中。

图2 整体叶轮

（2）针对航空发动机零部件中无法通过机械加工实现或者机械加工成本极高的型面、型槽的加工，通过电化学加工设备可以实现难加工材料、复杂型面的精细加工，且无重熔层，表面完好性好。目前国际普遍采用电解加工设备代替传统机械加工设备来实现整体叶盘、叶片的精粗加工及电解抛光，达到整体叶盘叶片、叶轮的叶片型面轮廓尺寸及表面粗糙度的工艺要求。如图3所示，用电解方法加工的涡轮转子及整体叶轮，工件材质为高温合金，采用套料加工方式，叶盆、叶背一次加工成形，叶片精度值0.1mm，表面粗糙度值Ra=0.8μm，每个叶片加工仅需几分钟时间。电解套料加工已成为航空、航天领域优先的工艺方法之一。

图3 涡轮转子

（3）激光加工技术广泛的应用于航空发动机零部件的制造与维修中，激光加工设备主要以制孔和切割两大类为主流，应用于航空发动机叶片类、燃烧室等零件的打孔、切割加工。例如DMG公司生产的五轴激光打孔机，主要用于航空燃气机轮构件内膜冷却空气孔的加工，加工精度高，效率高，适应性强。目前激光加工技术将开发和研制的激光焊接、激光熔敷、激光强化、激光热处理以及激光3D打印等新型技术与设备正逐步应用到发动机零部件的制造与维修中，如图4 所示发动机的风扇叶片采用激光冲击强化技术可增加其使用寿命，压气机、燃烧室及涡轮等零部件的制造主要采用激光制孔、激光切割、激光焊接来完成，可提高零部件的加工效率与加工精度。

特种加工技术在航空制造业中已突破了传统机械切削加工的瓶颈，在提高加工能力、产品质量、生产效率和经济效益的提升方面显露出巨大的优越性，是航空制造技术不可缺少的关键技术。

我国航空发动机数字化制造发展展望

美国、欧洲、日本等在航空发动机新产品研制中都全面应用了以敏捷制造、精益制造和虚拟制造、复合高效加工及自适应控制为代表的先进数字化制造技术，大大缩短了产品制造周期。inchinnan工厂是罗·罗公司的专业化航空发动机压气叶片制造厂，其产品的生产过程体现了先进制造技术理念，所有产品工艺在正式投入生产之前，都要采用生产线仿真技术进行模拟，确保生产线稳定安全运行；标准的数控加工制造单元，如机器人手臂、标准化工装、测具及刀具、待加工零件与工序的柔性自适应制造工艺与数控加工程序等，可以准确无误的自动实现零件的装夹、找正、周转、测量数控加工及零件在不同制造工区的周转，并通过系统集成、规范数据结构，能够与罗罗公司总部产品设计部门实现实时的沟通并参与产品设计决策过程。相比之下，我国的航空发动机制造企业在数字化技术的应用范畴比较分散，在深度和广度上有待进一步的突破。

随着航空发动机制造技术的不断创新，各种加工机床或设备也随之在功能、精度、效率及刚度等方面取得重要改进，并不断推动航空制造技术发展。但我国现在还是大量依赖国外进口的高端设备来完成航空发动机关键部件的生产加工，这也说明我国的机床设备制造行业在研发和创新方面能力不够。由于国内外技术水平的差异，在实际生产中，进口设备存在关键技术封锁、先进功能得不到有效的利用和开发、设备维护成本高等问题，如果长期依赖进口设备，那么我国航空制造技术的发展就会很被动，因此我们应该努力追踪航空发动机制造技术，拉动国产装备制造水平。